韋振勛,馬志福,馬韞娟,馬淑紅
(1.新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院,新疆 烏魯木齊 830006;2.國(guó)家發(fā)改委宏觀院,北京 100037;3.清華大學(xué),北京 100084;4.北京大學(xué),北京 100871)
在全球氣候變化背景下,風(fēng)害以其發(fā)生頻率高、影響范圍廣、危害程度大,對(duì)交通運(yùn)輸及人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)不利影響。而風(fēng)害中最大瞬時(shí)風(fēng)速是主導(dǎo)和動(dòng)力因素,新疆地域遼闊,地形復(fù)雜,地形地貌具有“三山夾二盆”的獨(dú)特特征,構(gòu)筑“五橫七縱”高速、高等級(jí)公路網(wǎng),其中“五橫”基本是E—W走向,“七縱”基本是S—N走向。每次冷空氣南下都可造成強(qiáng)勁風(fēng)力,特別是線路走向與主風(fēng)之間夾角垂直的強(qiáng)橫風(fēng),受強(qiáng)橫風(fēng)天氣的影響,車(chē)輛停運(yùn)、中斷交通常有發(fā)生。大風(fēng)天氣對(duì)公路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)以及安全行車(chē)影響極大。本研究對(duì)提高公路通行能力和服務(wù)水平,減少風(fēng)害對(duì)交通安全的影響,具有十分重要工程應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。
1.1 資料選取
依據(jù)《高速公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)及施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 074—94)[1]、《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2001)(2006年版)[2]、《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T D60—01—2004)[3]、《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》(中國(guó)氣象局2003年版)[4]有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),選取新疆高速公路沿線100個(gè)氣象站近50年(1951~2010年)風(fēng)向、風(fēng)速長(zhǎng)期歷史資料與高速公路沿線10個(gè)鐵塔梯度風(fēng)監(jiān)測(cè)資料、蘭新二線三十里風(fēng)區(qū)和百里風(fēng)區(qū)2個(gè)6要素5層梯度風(fēng)強(qiáng)風(fēng)監(jiān)測(cè)資料,以及30個(gè)大風(fēng)監(jiān)測(cè)站近10年(2001~2010年)風(fēng)速和風(fēng)向監(jiān)測(cè)資料相結(jié)合,進(jìn)行信息化和規(guī)范化整編。
1.2 研究方法
本文采用采用工程氣象學(xué)、流體模擬、風(fēng)監(jiān)測(cè)技術(shù)、公路工程技術(shù)、空氣動(dòng)力學(xué)及概率論相結(jié)合方法,對(duì)高速公路沿線大風(fēng)規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)分析研究,提出了全球氣候變化背景下,公路強(qiáng)風(fēng)害防控技術(shù),為我國(guó)高速公路安全行車(chē)提供了技術(shù)保障。
2.1 高速公路沿線大風(fēng)日數(shù)分布規(guī)律
近50年大風(fēng)歷史資料研究結(jié)果表明:新疆高速公路沿線大風(fēng)日數(shù)的分布規(guī)律受天氣系統(tǒng)和地形影響的制約,以山口、埡口、峽谷、河谷、特大橋和高路基彎道區(qū)間強(qiáng)風(fēng)和大風(fēng)日數(shù)最多。連霍主干線百里風(fēng)區(qū)強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間大風(fēng)日數(shù)在157~209d,是我國(guó)乃至世界高速公路風(fēng)害之冠;阿拉山口風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)、達(dá)坂城風(fēng)區(qū)強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間次之,年平均大風(fēng)日數(shù)148~155d;高速公路沿線的綠洲區(qū)間全年大風(fēng)日數(shù)不足10d;沙漠公路中部大風(fēng)日數(shù)明顯多于公路沿線的綠洲區(qū)間。
2.2 高速公路沿線大風(fēng)日數(shù)月分布
新疆高速公路沿線大多數(shù)路段春秋季冷暖空氣交替頻繁,地區(qū)間氣壓梯度加大,常出現(xiàn)強(qiáng)勁的大風(fēng)。夏季氣層不穩(wěn)定,多陣性大風(fēng)天氣,高速公路沿線大多數(shù)區(qū)間大風(fēng)呈現(xiàn)單峰分布,一年中以3~9月大風(fēng)最多,占全年大風(fēng)日數(shù)70%~90%以上。其中連霍主干線百里風(fēng)區(qū)十三間房18~25d,紅山口14~20d,達(dá)坂城區(qū)間和三十里風(fēng)區(qū)強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間為11~20d。
2.3 高速公路沿線最大風(fēng)速的垂直分布特征
近10年鐵塔和5層梯度風(fēng)監(jiān)測(cè)站風(fēng)速資料分析結(jié)果顯示:最大風(fēng)速垂直分布遵循冪指數(shù)規(guī)律[5],冪指數(shù)α取值1/4~1/12。連霍高速公路百里風(fēng)區(qū)最大風(fēng)速隨高度變化遵循冪指數(shù)分布α在0.08~0.10,以α=0.10出現(xiàn)頻率最高。建議增加0類(lèi)(沙漠、礫漠風(fēng)區(qū)、戈壁等區(qū)間)下墊面下α系數(shù),α取值為0.10。
2.4 高速公路沿線最大瞬時(shí)風(fēng)速2年一遇設(shè)計(jì)值水平分布特征
高速公路沿線距路面4m高處V4_2 max水平分布與地形關(guān)系密切,隨著特殊環(huán)境呈現(xiàn)獨(dú)特特征,以埡口、峽谷、高架橋、特大橋、高路堤區(qū)間瞬時(shí)風(fēng)速最大,深路塹瞬時(shí)風(fēng)速最小。
在高速公路沿線大風(fēng)規(guī)律研究基礎(chǔ)上,提出全球氣候變化背景下,高速公路風(fēng)害防控技術(shù)由風(fēng)害防控信息管理系統(tǒng)和防風(fēng)柵防護(hù)技術(shù)組成(如圖1所示)。通過(guò)防風(fēng)柵減小作用在不同類(lèi)型汽車(chē)上的氣動(dòng)力,防止不同類(lèi)型汽車(chē)傾覆翻車(chē)事故的發(fā)生。風(fēng)害防控信息管理系統(tǒng)是指強(qiáng)風(fēng)天氣下不同類(lèi)型汽車(chē)行車(chē)過(guò)程中實(shí)行運(yùn)行管制的手段,運(yùn)行管制是指風(fēng)速超過(guò)一定值后不同類(lèi)型汽車(chē)減速運(yùn)行或停止運(yùn)行的制度。
圖1 高速公路風(fēng)害防控技術(shù)示意圖
依據(jù)連霍主干線百里風(fēng)區(qū)強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間不同類(lèi)型汽車(chē)強(qiáng)風(fēng)監(jiān)測(cè)技術(shù)和流體模擬結(jié)果,設(shè)定高速公路強(qiáng)風(fēng)天氣下風(fēng)害防控管理技術(shù)規(guī)則和預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)[6],具體如表1所示。
表1 高速公路強(qiáng)風(fēng)天氣下風(fēng)害防控管理技術(shù)規(guī)則和預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)(柔性防護(hù)網(wǎng)設(shè)置后)
5.1 百里風(fēng)區(qū)強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間是我國(guó)乃至世界高速公路風(fēng)害之冠;阿拉山口風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)、達(dá)坂城風(fēng)區(qū)強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間次之;公路沿線的綠洲區(qū)間全年大風(fēng)日數(shù)最少不足10d;沙漠公路中部大風(fēng)日數(shù)明顯多于公路沿線的綠洲區(qū)間。
5.2 高速公路沿線最大風(fēng)速垂直分布遵循冪指數(shù)規(guī)律,冪指數(shù)α取值1/4~1/12,其中礫漠風(fēng)區(qū)α在0.08~0.10,以α=0.10出現(xiàn)頻率最高。
5.3 高速公路沿線距路面4m高處V4_2 max水平分布與地形關(guān)系密切,是隨著特殊環(huán)境呈現(xiàn)獨(dú)特特征,以埡口、峽谷、高架橋、特大橋、高路堤區(qū)間瞬時(shí)風(fēng)速最大,深路塹瞬時(shí)風(fēng)速最小。
5.4 提出全球氣候變化背景下,高速公路風(fēng)害防控技術(shù)由風(fēng)害防控信息管理系統(tǒng)和防風(fēng)柵防護(hù)技術(shù)組成。
[1]JTJ 074—94,高速公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)及施工技術(shù)規(guī)范[S].
[2]GB 50009—2001,建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].
[3]JTG/T D60—01—2004,公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
[4]中國(guó)氣象局.地面氣象觀測(cè)規(guī)范[M].北京:北京氣象出版社,2003.
[5]馬韞娟,馬淑紅.我國(guó)高速鐵路客運(yùn)專(zhuān)線橋梁設(shè)計(jì)風(fēng)速研究[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督,2009,37(10):34-37.
[6]馬韞娟,馬淑紅,張?jiān)苹荩?新疆高速公路強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間安全行車(chē)對(duì)策研究[J].干旱區(qū)地理,2012,35(2):210-221.